多層 PCB 電路板設(shè)計(jì)方法

在設(shè)計(jì)多層 PCB 電路板之前，設(shè)計(jì)者需要首先根據(jù)電路的規(guī)模 電路板的尺寸 電磁兼容（EMC） 電路的規(guī)模、電路板的尺寸電磁兼容（ 電路的規(guī)模 電路板的尺寸和電磁兼容 ） 的要求來(lái)確定所采用的電路板結(jié)構(gòu)，也就是決定采用 4 層，6 層，還是更多層數(shù)的電路板。確定層數(shù)的要求之后，再確定內(nèi)電層的放置位置以及如何在這些層上分布不同的信號(hào)。這就是多層 PCB 層疊結(jié)構(gòu)的 選擇問(wèn)題。層疊結(jié)構(gòu)是影響 PCB 板 EMC 性能的一個(gè)重要因素 層疊結(jié)構(gòu)是影響 性能的一個(gè)重要因素，也是抑制電磁干擾的一個(gè)重要手段 抑制電磁干擾的一個(gè)重要手段。抑制電磁干擾的一個(gè)重要手段 本節(jié)將介紹多層 PCB 板層疊結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

1.層數(shù)的選擇和疊加原則

確定多層 PCB 板的層疊結(jié)構(gòu)需要考慮較多的因素。從布線(xiàn)方面來(lái)說(shuō)，層數(shù)越多越利于布線(xiàn) 但是制層數(shù)越多越利于布線(xiàn)，但是制層數(shù)越多越利于布線(xiàn) 板成本和難度也會(huì)隨之增加。對(duì)于生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，層疊結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)與否 PCB 板制造時(shí)需要關(guān)注的焦 層疊結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)與否是 板成本和難度也會(huì)隨之增加 層疊結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)與否 點(diǎn)，所以層數(shù)的選擇需要考慮各方面的需求，以達(dá)到最佳的平衡。

對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，在完成元器件的預(yù)布局后，會(huì)對(duì) PCB 的布線(xiàn)瓶頸處進(jìn)行重點(diǎn)分析 結(jié) 完成元器件的預(yù)布局后的布線(xiàn)瓶頸處進(jìn)行重點(diǎn)分析 頸處進(jìn)行重點(diǎn)分析。結(jié) 完成元器件的預(yù)布局后工具分析電路板的布線(xiàn)密度；再綜合有特殊布線(xiàn)要求的信號(hào)線(xiàn)如差分線(xiàn)、敏感信號(hào)線(xiàn) 有特殊布線(xiàn)要求的信號(hào)線(xiàn)如差分線(xiàn) 合其他 EDA 工具分析電路板的布線(xiàn)密度有特殊布線(xiàn)要求的信號(hào)線(xiàn)如差分線(xiàn)、敏感信號(hào)線(xiàn)等 的數(shù)量和種類(lèi)來(lái)確定信號(hào)層的層數(shù) 然后根據(jù)電源的種類(lèi)、來(lái)確定信號(hào)層的層數(shù)； 根據(jù)電源的種類(lèi)、 隔離和抗干擾的要求來(lái)確定內(nèi)電層的數(shù)目。來(lái)確定信號(hào)層的層數(shù) 根據(jù)電源的種類(lèi) 隔離和抗干擾的要求來(lái)確定內(nèi)電層的數(shù)目 這樣，整個(gè)電路板的板層數(shù)目就基本確定了。

確定了電路板的層數(shù)后，接下來(lái)的工作便是合理地排列各層電路的放置順序。在這一步驟中，需要考慮的因素主要有以下兩點(diǎn)：

（1）特殊信號(hào)層的分布

（2）電源層和地層的分布

如果電路板的層數(shù)越多，特殊信號(hào)層、地層和電源層的排列組合的種類(lèi)也就越多，如何來(lái)確定哪種組合方式最優(yōu)也越困難，但總的原則有以下幾條：

地層，利用內(nèi)電層的大銅膜來(lái)為信號(hào)層提供屏蔽:

（1）信號(hào)層應(yīng)該與一個(gè)內(nèi)電層相鄰（內(nèi)部電源 地層），利用內(nèi)電層的大銅膜來(lái)為信號(hào)層提供屏蔽。

（2）內(nèi)部電源層和地層之間應(yīng)該緊密耦合，也就是說(shuō)，內(nèi)部電源層和地層之間的介質(zhì)厚度應(yīng)該取較）內(nèi)部電源層和地層之間應(yīng)該緊密耦合，也就是說(shuō)， 小的值，以提高電源層和地層之間的電容，增大諧振頻率。小的值，以提高電源層和地層之間的電容，增大諧振頻率。

（3）電路中的高速信號(hào)傳輸層應(yīng)該是信號(hào)中間層，并且?jiàn)A在兩個(gè)內(nèi)電層之間。這樣兩個(gè)內(nèi)電層的銅膜可以為高速信號(hào)傳輸提供電磁屏蔽，同時(shí)也能有效地將高速信號(hào)的輻射限制在兩個(gè)內(nèi)電層之間，不對(duì)外造成干擾。

（4）避免兩個(gè)信號(hào)層直接相鄰。相鄰的信號(hào)層之間容易引入串?dāng)_，從而導(dǎo)致電路功能失效;在兩信號(hào)層之間加入地平面可以有效地避免串?dāng)_。

（5）多個(gè)接地的內(nèi)電層可以有效地降低接地阻抗;例如，A 信號(hào)層和 B 信號(hào)層采用各自單獨(dú)的地平 面，可以有效地降低共模干擾。

（6）兼顧層結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性。

2.常用的層疊結(jié)構(gòu)

下面通過(guò) 4 層板的例子來(lái)說(shuō)明如何優(yōu)選各種層疊結(jié)構(gòu)的排列組合方式：

對(duì)于常用的 4 層板來(lái)說(shuō)，有以下幾種層疊方式（從頂層到底層）：

（1）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），POWER（Inner_2），Siganl_2（Bottom）。

（2）Siganl_1（Top），POWER（Inner_1），GND（Inner_2），Siganl_2（Bottom）。

（3）POWER（Top），Siganl_1（Inner_1），GND（Inner_2），Siganl_2（Bottom）。

顯然，方案 3 電源層和地層缺乏有效的耦合，不應(yīng)該被采用。

那么方案 1 和方案 2 應(yīng)該如何進(jìn)行選擇呢？

一般情況下，設(shè)計(jì)人員都會(huì)選擇方案 1 作為 4 層板的結(jié)構(gòu)。原因并非方案 2 不可被采用，而是一般的 PCB 板都只在頂層放置元器件，所以采用方案 1 較為 妥當(dāng)。但是當(dāng)在頂層和底層都需要放置元器件，而且內(nèi)部電源層和地層之間的介質(zhì)厚度較大，耦合不佳時(shí)，就需要考慮哪一層布置的信號(hào)線(xiàn)較少。對(duì)于方案 1 而言，底層的信號(hào)線(xiàn)較少，可以采用大面積 的銅膜來(lái)與 POWER 層耦合；反之，如果元器件主要布置在底層，則應(yīng)該選用方案 2 來(lái)制板。

在完成 4 層板的層疊結(jié)構(gòu)分析后， 下面通過(guò)一個(gè) 6 層板組合方式的例子來(lái)說(shuō)明 6 層板層疊結(jié)構(gòu)的排列 組合方式和優(yōu)選方法：

（1）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），Siganl_2（Inner_2），Siganl_3（Inner_3），POWER （In）。 方案 1 采用了 4 層信號(hào)層和 2 層內(nèi)部電源/接地層，具有較多的信號(hào)層，有利于元器件之間的布線(xiàn)工作，但是該方案的缺陷也較為明顯，表現(xiàn)為以下兩方面：

① 電源層和地線(xiàn)層分隔較遠(yuǎn)，沒(méi)有充分耦合

② 信號(hào)層 Siganl_2（Inner_2）和 Siganl_3（Inner_3）直接相鄰，信號(hào)隔離性不好，容易發(fā)生串?dāng)_

（2）Siganl_1（Top），Siganl_2（Inner_1），POWER（Inner_2），GND（Inner_3），Siganl_3 （In）。

方案 2 相對(duì)于方案 1， 電源層和地線(xiàn)層有了充分的耦合， 比方案 1 有一定的優(yōu)勢(shì)， 但是 Siganl_1 （Top） 和 Siganl_2（Inner_1）以及 Siganl_3（Inner_4）和 Siganl_4（Bottom）信號(hào)層直接相鄰，信號(hào)隔 離不好，容易發(fā)生串?dāng)_的問(wèn)題并沒(méi)有得到解決。

），GND（Inner_1）， ），Siganl_2（Inner_2）， ），POWER（Inner_3），），GND （3）Siganl_1（Top）， ） （ ）， （ ）， （ ）， （ ）， （Inner_）。）。

相對(duì)于方案 1 和方案 2，方案 3 減少了一個(gè)信號(hào)層，多了一個(gè)內(nèi)電層，雖然可供布線(xiàn)的層面減少了，但是該方案解決了方案 1 和方案 2 共有的缺陷：

① 電源層和地線(xiàn)層緊密耦合

② 每個(gè)信號(hào)層都與內(nèi)電層直接相鄰，與其他信號(hào)層均有有效的隔離，不易發(fā)生串?dāng)_

③ Siganl_2（Inner_2）和兩個(gè)內(nèi)電層 GND（Inner_1）和 POWER（Inner_3）相鄰，可以用來(lái)傳 （ ） （ ） （ ）相鄰，兩個(gè)內(nèi)電層可以有效地屏蔽外界對(duì) Siganl_2 Inner_2） 輸高速信號(hào)。 高速信號(hào)。 兩個(gè)內(nèi)電層可以有效地屏蔽外界對(duì)（ ） 層的干擾和 Siganl_2 Inner_2） （ ） 對(duì)外界的干擾。

綜合各個(gè)方面，方案 3 顯然是最優(yōu)化的一種，同時(shí)，方案 3 也是 6 層板常用的層疊結(jié)構(gòu)。

通過(guò)對(duì)以上兩個(gè)例子的分析，相信讀者已經(jīng)對(duì)層疊結(jié)構(gòu)有了一定的認(rèn)識(shí)，但是在有些時(shí)候，某一個(gè)方案并不能滿(mǎn)足所有的要求，這就需要考慮各項(xiàng)設(shè)計(jì)原則的優(yōu)先級(jí)問(wèn)題。遺憾的是由于電路板的板層設(shè) 計(jì)和實(shí)際電路的特點(diǎn)密切相關(guān)，不同電路的抗干擾性能和設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)各有所不同，所以事實(shí)上這些原則并沒(méi)有確定的優(yōu)先級(jí)可供參考。但可以確定的是，設(shè)計(jì)原則 2（內(nèi)部電源層和地層之間應(yīng)該緊密耦 設(shè)計(jì)原則 （內(nèi)部電源層和地層之間應(yīng)該緊密耦如果電路中需要傳輸高速信號(hào)， 合）在設(shè)計(jì)時(shí)需要首先得到滿(mǎn)足，另外如果電路中需要傳輸高速信號(hào)，那么設(shè)計(jì)原則 3（電路中的高在設(shè)計(jì)時(shí)需要首先得到滿(mǎn)足， 如果電路中需要傳輸高速信號(hào) （ 速信號(hào)傳輸層應(yīng)該是信號(hào)中間層，并且?jiàn)A在兩個(gè)內(nèi)電層之間）就必須得到滿(mǎn)足速信號(hào)傳輸層應(yīng)該是信號(hào)中間層，并且?jiàn)A在兩個(gè)內(nèi)電層之間）就必須得到滿(mǎn)足。

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